基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计_蔡延财

基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计蔡延财1,刘　勇1,陈永冰1,王　璐2(1.海军工程大学　湖北武汉　430033;2.信息产业部第53所海军代表室　辽宁锦州　121000)摘　要:介绍了一种基于T M S320F 2812DSP 、仪表放大器的传感器数据采集系统的设计。

传感器信号调理是对传感器直接输出的信号进行调节,信号调理的原理以及硬件实现电路在文中都做了说明。

给出了DSP 和传感器信号调理电路的接口设计;同时,结合作者实际工作的一个成功应用TM S320F2812DSP 与仪表放大器以及同步采样16b A DC 通过CP LD 硬件接口的实例。

通过验证此电路系统有非常好的性能和可扩展性。

关键词:数字信号处理;DSP ;T M S320F 2812;IN -A M P ;A DC ;CP LD中图分类号:U666.1;T P274+.2 文献标识码:B 文章编号:1004-373X (2007)06-063-03Design of Sensor Signal Collection Based on IN-AMPCAI Yancai 1,L IU Y ong 1,CH EN Yo ng bing 1,W AN G Lu 2(1.Navy U nive rsity of Engineer ,Wuhan ,430033,China ;2.53rd Lab o f IPD Na vy Deputatio n ,Jinzho u ,121000,China )Abstract :T his pape r intro duces a kind o f design based on T M S320F 2812DSP and IN -AM P in senso r data co llection sy s -tem.Senso r sig nal adjustment is used to adjust the direct output signal of senso rs.T he principle of sig nal adjustment and the ha rdw are circuit implementa tion a re both discussed in this pape r.I t applies the desig n of interface betw ee n DSP and senso r sig -nal adjust cir cuit.M eanwhile ,it produces the e xample tha t the T M S320F2812DSP integ rated w ith I N -A M P thro ug h using CP L D and 16bit A DC succe ssfully by har dw are based on my w o rk.Keywords :DSP ;T M S320F 2812;IN -A M P ;A DC ;CP LD收稿日期:2006-07-241　引　言传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性,例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。

这些特性对传感器起激励的作用。

传感器的输出经过调理和处理,以对物理特性提供相应的测量。

数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备,以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理,从而达到提取信息和便于应用的目的。

仪表放大器具有非常优越的特性,能将传感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。

本文介绍在一个智能隔振系统中,传感器数据采集系统具有非常多的传感器,而且信号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合模数转换器件的工作范围。

2　仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,他具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。

差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同,他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。

标准运算放大器是单端器件,其传输函数主要由反馈网络决定;而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号,因而具有很高的共模抑制比(CM R )。

他们通常不需要外部反馈网络。

仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益单元。

输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值(通常为109或更大)。

与由接在反向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同,仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。

利用加到两个差分输入端的输入信号,增益或是从内部预置,或是通过也与信号输入端隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。

典型仪表放大器的增益设置范围为1～1000。

仪表放大器的特点:(1)高共模抑制比共模抑制比(CM RR )则是差模增益(A d )与共模增益(A c )之比,即:CM RR =20lg |A d /A c |dB ;仪表放大器具有很高的共模抑制比,CM RR 典型值为70～100dB 以上。

(2)高输入阻抗要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗,仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡,其典型值为109～1012Ψ低噪声由于仪表放大器必须能《现代电子技术》2007年第6期总第245期 新型元器件DOI 牶牨牥牣牨牰牰牭牪牤j 牣issn 牣牨牥牥牬牠牫牱牫x 牣牪牥牥牱牣牥牰牣牥牪牪够处理非常低的输入电压,因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上,在1kHz 条件下,折合到输入端的输入噪声要求小于10nV /Hz 。

(3)低线性误差输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正,但是线性误差是器件固有缺陷,他不能由外部调整来消除。

一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%,有的甚至低于0.0001%。

(4)低失调电压和失调电压漂移仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成,输入和输出失调电压典型值分别为100μV 和2mV 。

(5)低输入偏置电流和失调电流误差双极型输入运算放大器的基极电流,FET 型输入运算放大器的栅极电流,这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。

双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA ～50pA ;而FET 输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA 。

(6)充裕的带宽仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽,典型的单位增益小信号带宽在500kHz ～4M H z 之间。

具有“检测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端,允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降(IR )的影响可减至最小。

为了有效地工作,要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号,而且还能抑制其输入端的共模信号。

这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CM R ):典型的CM R 值为70～100dB 。

当增益提高时,CM R 通常还能获得改善。

3　电流型传感器数据采集系统结构图图1示出4～20mA 电流型传感器的信号如何连接到16bit Simultaneous ADC AD7656。

4～20mA 传感器的信号是单端的。

这一开始就提出了需要1只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC 的高阻抗模拟输入端。

然而,回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。

图1　系统结构图因此必须差分地检测该电流。

在本系统中,1只24.9Ψ的分流电阻器在AD627的输入端产生介于100mV (对应4mA 输入)与500mV (对应20mA 输入)之间的最大差分输入电压。

在不存在增益电阻器的情况下,AD627把该500mV 输入电压放大5倍达到2.5V ,即A DC 的满度输入电压。

4mA 的零点电流对应于代码819,1LSB 对应0.61mV 。

整个系统逻辑都通过CPLD 进行控制并与DSP 进行数据交换。

4　低功耗仪表放大器AD627特点及性能AD627是一种低功耗的仪表放大器。

他采用单、双两种电源供电,并可实现轨-轨输出。

AD627在85μA 的电流下即可正常工作,并具有极佳的交流和直流特性。

AD627采用工业标准8脚封装,引脚排列图如图2所示。

图2　AD627引脚排列图图3　AD627的基本电路AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。

AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低,因此,A D627可将用户系统的直流误差降到最低。

由于有较好的高频共模抑制比,AD627可保持最小的高频误差,也正是因为A D627具有较高的CM RR 特性(可高达200H z ),从而使得传输线干扰和传输线谐波等都被排斥掉了。

AD627采用真正的仪用放大器结构,他有两个反馈环。

其基本结构和典型的“双运放”仪用放大器类似,只是细节有所不同。

另外,AD627所具有的一个“电流反馈”结构,使得A D627具有较好的共模抑制比。

AD627的基本电路见图3所示。

其中A 1与V 1,R 5构成了第一个反馈回路,通过该回路可在Q 1上得到稳定的集电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。

电阻R 1和R 2组成的反馈环可使A 1的输出电压和反向端电压相等。

传感器技术蔡延财等:基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环,他可使Q 2的电流和Q 1相等,同时A 2还可提供输出电压。

当两个环平衡时,同向端到VO U T 的增益为5,A1输出到V O UT 的增益为-4,A 1的反向端增益是A2增益的1.25倍。

AD627差动模式时的增益为1+R 4/R 3,额定值为5。

AD627是通过电阻R G 来设定增益的。

增益G 的设定可按下式确定:G =5+(200k Ψ/R G )可以看出:AD627的最小增益为5(R G =∞时),在其增益精确度为0.05%～0.7%时,应使用0.1%的外部增益设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。

另外,增益设置电阻R G 的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的值。

分并检单双电源供电的轨-轨仪用放大器A D627比分立元器设计的放大器具有较好的直流交流性能,并且可以方便的用外部电阻设定增益,因而是传感器信号检测的较好选择。

5　仪表放大器RFI 抑制电路设计微功耗仪表放大器AD627易受RF 整流的影响,需要更具鲁棒性的滤波器。

AD627具有低输入级工作电流。

简单地增加两个输入电阻器R 1a 和R 1b 的值或电容器C 2的值,会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF 衰减。

由于AD627仪表放大器具有比通用IC (例如,AD620系列器件)更高的噪声(38nV /Hz ),所以可以使用较高的输入电阻器而不会严重降低电路的噪声性能。